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FR2787103A1 - Treatment and management of water purification sludge, used to generate heat, electricity and chemicals in a self-contained system that includes a gasification stage and phosphate recovery - Google Patents

Treatment and management of water purification sludge, used to generate heat, electricity and chemicals in a self-contained system that includes a gasification stage and phosphate recovery Download PDF

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FR2787103A1
FR2787103A1 FR9908967A FR9908967A FR2787103A1 FR 2787103 A1 FR2787103 A1 FR 2787103A1 FR 9908967 A FR9908967 A FR 9908967A FR 9908967 A FR9908967 A FR 9908967A FR 2787103 A1 FR2787103 A1 FR 2787103A1
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Suez Lyonnaise des Eaux
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Abstract

Treatment and management of water purification sludge, used to generate heat, electricity and chemicals in a self-contained system that includes a gasification stage and phosphate recovery. The process comprises: (i) extracting (A) of volatiles content at least 70%; (ii) anaerobic digestion of (A) to produce a stabilized/digested sludge (A') of volatiles content at least 60%; (iii) thermal or chemical treatment of (A'); (iv) dehydrating to dry matter content 30-55%; (v) drying to dry matter content at least 90% and (vi) using the product directly as fuel or storing it and then subjecting it to gasification. The coke from gasification is used as fuel or as phosphorus mineral. At least some of the material from step (iv) is used in agriculture. The final product, or the coke produced by gasification, is particularly used as fuel for cement making. The gas produced, a mixture of methane and carbon monoxide (CO), is: (1) burnt and the heat generated used to dry the sludge or (2) the CO is converted to methanol (and this is used as carbon source for biological denitrification of the waste water), while the methane only is used to generate heat and electricity for sludge drying.

Description

La présente invention concerne un procédé de traitement et de gestion desThe present invention relates to a method for processing and managing

boues provenant de stations d'épuration d'eaux résiduaires urbaines. Elle s'applique plus particulièrement aux stations d'épuration de grande taille. On connaît à l'heure actuelle la filière de traitement des boues biologiques provenant de stations d'épuration qui consiste à extraire les boues afin de les soumettre à une digestion anaérobie permettant d'obtenir des boues stabilisées, ces dernières étant ensuite conditionnées soit par un traitement chimique (traitement par polymères, par chlorure de fer et chaux) ou par un traitement thermique, les boues étant ensuite soumises à une déshydratation notamment par  sludges from urban wastewater treatment plants. It applies more particularly to large treatment plants. At the present time, the biological sludge treatment process originating from purification stations is known, which consists in extracting the sludge in order to subject it to an anaerobic digestion making it possible to obtain stabilized sludge, the latter then being conditioned either by a chemical treatment (treatment with polymers, with iron chloride and lime) or by a heat treatment, the sludge then being subjected to dewatering in particular by

filtres presses ou centrifugeuses.filter presses or centrifuges.

Après ce traitement, se posent les problèmes de l'évacuation et de l'utilisation des boues déshydratées. On peut à cet égard, envisager à l'heure actuelle plusieurs filières: - une valorisation agricole, par épandage, laquelle pose un grand nombre de problèmes dus notamment aux réticences des professions agricoles, aux coûts de transport, en particulier en zone périurbaine, à la présence éventuelle de métaux lourds dans les boues et au degré d'hygiénisation de ces boues; - une incinération dont on connaît les inconvénients, notamment le dégagement de gaz carbonique (effet de serre), la consommation en énergie, (bien que cet inconvénient tende à disparaître en mettant en oeuvre l'autothermicité des boues), le dégagement de divers polluants atmosphériques et, - une mise en décharge pure et simple, filière qui doit toutefois  After this treatment, there are the problems of the disposal and use of the dewatered sludge. In this regard, we can currently envisage several sectors: - agricultural development, by spreading, which poses a large number of problems due in particular to the reluctance of the agricultural professions, to transport costs, in particular in peri-urban areas, to the possible presence of heavy metals in the sludge and the degree of hygienization of this sludge; - an incineration of which the drawbacks are known, in particular the release of carbon dioxide (greenhouse effect), the energy consumption (although this drawback tends to disappear by implementing the autothermicity of the sludge), the release of various pollutants atmospheric and, - a pure and simple landfill, sector which must however

disparaître à l'horizon 2002.disappear by 2002.

2 27871032 2787103

Si ces filières connues et couramment mises en oeuvre à l'heure actuelle, et notamment la valorisation agricole par épandage peuvent être utilisées pour le recyclage des boues provenant de petites stations d'épuration, il n'en est pas de  If these channels, known and commonly used at present, and in particular agricultural recovery by spreading, can be used for the recycling of sludge from small treatment plants, this is not the case.

même en ce qui concerne les boues provenant de grandes stations d'épuration.  even with regard to sludge from large treatment plants.

La présente invention s'est donc fixée comme objectif d'apporter un procédé de traitement et de gestion des boues provenant de stations d'épuration de grande capacité, ce procédé étant conçu de façon à n'entraîner aucune nuisance, en respectant les normes en vigueur et en permettant une valorisation  The present invention has therefore set itself the objective of providing a process for the treatment and management of sludge from large capacity treatment plants, this process being designed so as to cause no nuisance, while respecting the standards in force and allowing a valuation

multiple des boues: thermique, énergétique et chimique.  multiple of sludge: thermal, energetic and chemical.

En conséquence, la présente invention concerne un procédé de traitement et de gestion des boues provenant de stations d'épuration d'eaux résiduaires caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) extraction des boues présentant une teneur en matières volatiles de l'ordre de  Consequently, the present invention relates to a process for the treatment and management of sludge from waste water treatment plants, characterized in that it comprises the following steps: a) extraction of sludge having a volatile matter content of 1 'order of

% ou davantage.% or more.

b) digestion anaérobie des boues afin d'obtenir des boues digérées ou stabilisées,  b) anaerobic digestion of the sludge in order to obtain digested or stabilized sludge,

présentant une teneur en matières volatiles supérieure ou égale à 60%.  with a volatile matter content greater than or equal to 60%.

c) conditionnement des boues par voie thermique ou chimique, d) déshydratation, notamment sur filtres-presses ou centrifugeuses des boues issues du conditionnement, afin d'obtenir une teneur en matières sèches de l'ordre de 30 à 55% tout ou partie de ces boues pouvant être ensuite utilisée en  c) conditioning of the sludge by thermal or chemical means, d) dewatering, in particular on filter presses or centrifuges of the sludge from the conditioning, in order to obtain a dry matter content of the order of 30 to 55% all or part of this sludge can then be used in

valorisation agricole.agricultural development.

e) séchage des boues conditionnées, jusqu'à l'obtention d'une teneur en matières sèches, égale ou supérieure à 90%, cette étape de séchage étant mise en oeuvre, de préférence, de façon à obtenir des granulés; f) stockage des granulés issus du séchage ou utilisation immédiate comme  e) drying the conditioned sludge, until a dry matter content of 90% or more is obtained, this drying step being preferably carried out so as to obtain granules; f) storage of granules from drying or immediate use as

combustible, notamment en cimenterie.  fuel, especially in cement works.

g) reprise et traitement par gazéification des granulés stockés:  g) recovery and treatment by gasification of the stored granules:

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- le coke résultant du traitement de gazéification pouvant être utilisé soit comme combustible, par exemple en cimenterie, soit en tant que minerai de phosphore recyclable par exemple dans les industries productrices d'engrais et, - les gaz produits, mélange de méthane et de monoxyde de carbone, pouvant: - soit être brûlés et produire des calories récupérées au niveau de l'étape de séchage des boues, - soit, selon un procédé plus complexe, subir une transformation du monoxyde de carbone en méthanol qui sera réutilisé en tant que source de carbone pour la dénitrification par voie biologique des eaux usées, alors que le méthane, seul, sera utilisé comme combustible dans une co-génération d'électricité et de calories, lesdites calories pouvant servir  - the coke resulting from the gasification treatment which can be used either as a fuel, for example in a cement plant, or as a recyclable phosphorus ore for example in the industries producing fertilizers and, - the gases produced, mixture of methane and monoxide of carbon, which can: - either be burned and produce calories recovered at the sludge drying stage, - or, according to a more complex process, undergo a transformation of carbon monoxide into methanol which will be reused as a source of carbon for the biological denitrification of wastewater, while methane, alone, will be used as fuel in a co-generation of electricity and calories, said calories being able to be used

d'appoint dans l'étape de séchage.  in the drying stage.

Le procédé selon l'invention est illustré de façon schématique par la figure  The process according to the invention is illustrated schematically by the figure

1 sur laquelle on retrouve les différentes phases et étapes spécifiées ci-dessus.  1 on which we find the different phases and steps specified above.

Les étapes concernant l'extraction des boues, leur digestion anaérobie, leur conditionnement, ainsi que leur déshydratation en vue d'une valorisation agricole des boues ainsi traitées, sont mises en oeuvre de façon classique et bien connues  The steps concerning the extraction of the sludge, their anaerobic digestion, their conditioning, as well as their dehydration with a view to an agricultural valorization of the sludges thus treated, are implemented in a conventional and well known manner

de l'homme de l'art et dans ces conditions, ces étapes ne seront pas décrites ici.  those skilled in the art and under these conditions, these steps will not be described here.

On peut à cet égard se référer au Mémento Technique de l'Eau, Edition du Cinquantenaire, 1989, édité par DEGREMONT, chap. 24: << Traitement des  In this respect, we can refer to the Water Technical Memento, Edition du Cinquantenaire, 1989, edited by DEGREMONT, chap. 24: << Processing of

effluents urbains " et notamment aux pages 1309 à 1314 (Tome 2).  urban effluents "and in particular on pages 1309 to 1314 (Volume 2).

Lors de l'étape de séchage des boues en vue d'obtenir une teneur d'environ 90% en matières sèches, les gâteaux de boues provenant de l'étape de déshydratation sont séchés par voie thermique, par tous procédés classiques et ils sont transformés en granulés. Ceux-ci peuvent être r17-' Il  During the sludge drying step with a view to obtaining a dry matter content of approximately 90%, the sludge cakes originating from the dewatering step are dried thermally, by any conventional process and they are transformed in granules. These can be r17- 'It

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- utilisés comme combustible en cimenteries; - valorisés en agriculture, comme amendement; - valorisés en aménagements paysagers et aménagements d'infrastructures, - mis en décharge ou, - transformés en gaz durant l'étape de gazéification. Durant cette étape de gazéification, les granulés produites durant l'étape de séchage précédente sont transformés en gaz dans un réacteur de gazéification de type connu, fonctionnant en atmosphère contrôlée. Cette gazéification produit  - used as fuel in cement works; - valued in agriculture, as an amendment; - used in landscaping and infrastructure development, - landfilled or, - transformed into gas during the gasification stage. During this gasification step, the granules produced during the previous drying step are transformed into gas in a gasification reactor of known type, operating in a controlled atmosphere. This gasification produces

du coke et un mélange gazeux de méthane et de monoxyde de carbone.  coke and a gaseous mixture of methane and carbon monoxide.

Le coke de gazéification ainsi obtenu peut être utilisé comme combustible par exemple en cimenterie ou en tant que minerai de phosphore recyclable par exemple dans les industries productrices d'engrais. On sait que la teneur en P205 des gisements de phosphate exploités dans le monde est variable: de 32 à 35% pour les gisements les plus riches, 18 à 20% pour la moyenne des gisements exploités. La teneur en phosphore des cokes de gazéification des boues provenant du traitement biologique des eaux rédiduaires urbaines oscille entre 10 et 20% de P205, ce qui en fait un gisement particulièrement intéressant, compte tenu de la facilité d'exploitation. (le coke de gazéification est susceptible d'être mélangé aux autres minerais actuellement exploités) et de son caractère de résidu, donc de  The gasification coke thus obtained can be used as fuel, for example in cement works or as recyclable phosphorus ore, for example in the industries producing fertilizers. We know that the P205 content of phosphate deposits exploited in the world is variable: from 32 to 35% for the richest deposits, 18 to 20% for the average of exploited deposits. The phosphorus content of the coke for the gasification of sludge from the biological treatment of urban wastewater ranges from 10 to 20% of P205, which makes it a particularly interesting deposit, given the ease of operation. (gasification coke is likely to be mixed with the other ores currently exploited) and its residue character, therefore

son coût minimal.its minimum cost.

Le mélange gazeux de méthane et de monoxyde de carbone peut être utilisé: - soit pour alimenter une chaudière de co-génération en vue de la production d'électricité et/ou de chaleur, l'électricité ainsi produite étant remise dans le réseau ou utilisée comme source d'énergie dans les étapes du procédé et la chaleur étant utilisée lors du séchage mis en oeuvre après l'étape de conditionnement des boues par digestion anaérobie;  The gaseous mixture of methane and carbon monoxide can be used: - either to supply a co-generation boiler for the production of electricity and / or heat, the electricity thus produced being returned to the network or used as an energy source in the process steps and the heat being used during the drying carried out after the step of conditioning the sludge by anaerobic digestion;

HIF T - --o -HIF T - --o -

27871032787103

- soit pour alimenter une unité de synthèse produisant du méthanol à partir du monoxyde de carbone, le méthane étant utilisé comme combustible dans  - either to supply a synthesis unit producing methanol from carbon monoxide, methane being used as fuel in

une étape ultérieure et les calories produites réutilisées au niveau du séchage.  a subsequent step and the calories produced reused in drying.

Cette unité de synthèse chimique produit un substrat carboné de type méthanol à partir du gaz généré lors de ladite étape de gazéification. Ce substrat, ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus est utilisé en tant que source de carbone pour  This chemical synthesis unit produces a carbonaceous substrate of methanol type from the gas generated during said gasification step. This substrate, as mentioned above, is used as a carbon source for

assurer l'épuration des eaux usées par dénitrification biologique.  ensure the purification of wastewater by biological denitrification.

Ainsi qu'on le remarque, le procédé objet de l'invention permet d'obtenir une valorisation sous différentes formes de la totalité des boues produites. Le seul sous- produit, le coke provenant de l'étape de dégazéification, qui contient la  As noted, the process which is the subject of the invention makes it possible to obtain recovery in various forms of all of the sludge produced. The only byproduct, coke from the degasification stage, which contains the

matière minérale et du carbone minéral, étant utilisé, ainsi qu'on l'a décrit ci-  mineral matter and mineral carbon, being used, as described above

dessus, soit comme combustible, par exemple dans des cimenteries soit, comme  above, either as fuel, for example in cement factories or, as

minerai de phosphore.phosphorus ore.

Parmi les avantages apportés par la mise en oeuvre du procédé décrit ci-  Among the advantages brought by the implementation of the method described above

dessus, on peut citer notamment les suivants: - multivalorisation des boues: le procédé assure en effet diverses voies de valorisation des boues, allant de la plus rustique (valorisation par épandage agricole, aménagement paysager) jusqu'à la plus sophistiquée (utilisation du carbone contenu dans les boues pour la dénitrification de la ligne eau) et il met à disposition plusieurs portes de sortie pour les déchets boues; - respect de l'ensemble de la réglementation actuelle en ce qui concerne les boues et déchets; - respect des recommandations officielles relatives à une recherche de la valorisation des déchets permettent d'éviter leur destruction: ainsi qu'on l'a vu ci-dessus, la matière organique des boues est transformée en électricité et en chaleur et également en un :IiI T - U  above, we can cite in particular the following: - multivaluation of sludge: the process in fact provides various ways of recovering sludge, ranging from the most rustic (recovery by agricultural spreading, landscaping) to the most sophisticated (use of carbon contained in the sludge for denitrification of the water line) and it provides several exit doors for sludge waste; - compliance with all current regulations with regard to sludge and waste; - compliance with the official recommendations relating to a search for the recovery of waste makes it possible to avoid their destruction: as we saw above, the organic matter of the sludge is transformed into electricity and heat and also into a: IiI T - U

6 27871036 2787103

produit organique noble, le méthanol, réutilisable dans la chaîne de traitement (dénitrification); - solution écologique parfaitement acceptable par l'opinion publique du fait qu'elle n'engendre aucune nuisance (pas de poussière, pas de risque de dioxine); - réduction des nuisances, notamment olfactives; - possibilité de décentraliser l'épuration, les boues provenant de différents sites de traitement d'eau pouvant être acheminées, vers une unité de traitement des boues mettant en o0 oeuvre le procédé de l'invention et fonctionnant en site propre; obtention d'un autarcie de fonctionnement de l'unité de traitement des boues, la réutilisation des déchets en tant que matières premières, permettant d'apporter de l'énergie et des réactifs aux  noble organic product, methanol, reusable in the treatment chain (denitrification); - ecological solution perfectly acceptable by public opinion because it does not cause any nuisance (no dust, no risk of dioxin); - reduction of nuisances, especially olfactory; - possibility of decentralizing the purification, the sludge coming from different water treatment sites being able to be conveyed, to a sludge treatment unit implementing the method of the invention and operating on its own site; obtaining a self-sufficient functioning of the sludge treatment unit, the reuse of waste as raw materials, making it possible to provide energy and reagents to

différentes étapes du procédé.different stages of the process.

- enfin, le procédé selon l'invention est particulièrement intéressant en zone urbaine o les tonnages de boues à épandre sont  - Finally, the method according to the invention is particularly advantageous in urban areas where the tonnages of sludge to be spread are

considérables et les surfaces de terres agricoles restreintes.  considerable and limited agricultural land areas.

Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre décrits et/ou mentionnés ci-dessus mais qu'elle en  It remains to be understood that the present invention is not limited to the embodiments described and / or mentioned above but that it

englobe toutes les variantes.includes all variants.

à T ' -rat T '-r

7 27871037 2787103

Claims (4)

REVENDICATIONS 1 - Procédé de traitement et de gestion des boues provenant de stations d'épuration d'eaux résiduaires caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) extraction des boues présentant une teneur en matières volatiles de l'ordre de 70% au moins; b) digestion anaérobie des boues afin d'obtenir des boues digérées ou stabilisées présentant une teneur en matières volatiles supérieure ou égale à 60%; c) conditionnement des boues par voie thermique. ou chimique d) déshydratation, notamment sur filtres presses ou centrifugeuses, des boues issues du conditionnement afin d'obtenir une teneur en matières sèches de l'ordre de 30 à 55%, tout ou partie de ces boues pouvant être ensuite utilisée en valorisation agricole; e) séchage des boues conditionnées jusqu'à l'obtention d'une teneur en matières sèches égale ou supérieure à 90%; f) stockage des boues conditionnées et séchées ou utilisation immédiate comme combustible en cimenterie g) reprise et traitement par gazéification des boues séchées et stockées: - le coke, résultant du traitement de gazéification pouvant être utilisé soit comme combustible, notamment en cimenterie; soit comme minerai de phosphore, et, - les gaz produits, constitués d'un mélange de méthane et de monoxyde de carbone pouvant: - soit être brûlés pour produire des calories récupérées au niveau de l'étape de séchage des boues;  1 - Process for the treatment and management of sludge from waste water treatment plants, characterized in that it comprises the following stages: a) extraction of sludge having a volatile matter content of around 70% at less; b) anaerobic digestion of the sludge in order to obtain digested or stabilized sludge having a volatile matter content greater than or equal to 60%; c) conditioning of the sludge by thermal means. or chemical d) dewatering, in particular on filter presses or centrifuges, of the sludge from the conditioning in order to obtain a dry matter content of the order of 30 to 55%, all or part of this sludge which can then be used in agricultural recovery ; e) drying of the conditioned sludge until a dry matter content of 90% or more is obtained; f) storage of the conditioned and dried sludge or immediate use as fuel in a cement plant g) recovery and treatment by gasification of the dried and stored sludge: - coke, resulting from the gasification treatment that can be used either as fuel, in particular in a cement plant; either as a phosphorus ore, and, - the gases produced, consisting of a mixture of methane and carbon monoxide which can: - either be burned to produce calories recovered during the sludge drying stage; 8 27871038 2787103 - soit subir une transformation du monoxyde de carbone en méthanol qui sera utilisé en tant que source de carbone pour la dénitrification par voie biologique des eaux usées, le méthane, seul étant utilisé comme combustible dans une cogénération d'électricité et de calories, lesdites calories pouvant servir  - or undergo a transformation of carbon monoxide into methanol which will be used as a carbon source for the denitrification by biological means of waste water, methane, only being used as fuel in a cogeneration of electricity and calories, said calories can be used d'appoint lors de l'étape de séchage.  during the drying stage. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lors de l'étape de séchage par voie thermique des boues, celles-ci sont transformées en granulés.  2 - Process according to claim 1 characterized in that during the thermal drying step of the sludge, it is transformed into granules. 3 - Procédé selon l'une des revendications I ou 2 caractérisé en  3 - Method according to one of claims I or 2 characterized in ce que l'étape de gazéification des boues séchées par voie thermique s'effectue  that the gasification step of the thermally dried sludge is carried out en atmosphère contrôlée.in a controlled atmosphere. 4- Procédé selon l'une quelconque des revendications  4- Method according to any one of claims précédentes caractérisé en ce que le monoxyde de carbone dégagé lors de l'étape de gazéification constitue le principal réactif d'une synthèse chimique produisant  previous characterized in that the carbon monoxide released during the gasification step constitutes the main reagent of a chemical synthesis producing un substrat carboné du type méthanol.  a carbonaceous substrate of the methanol type. - Procédé selon l'une quelconque des revendications  - Method according to any one of the claims précédentes caractérisé en ce que le coke de gazéification est utilisé en tant que  previous characterized in that the gasification coke is used as minerai de phosphore recyclable dans les industries productrices d'engrais.  recyclable phosphorus ore in the fertilizer producing industries.
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